CN108766370A - 一种电润湿驱动系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电润湿驱动系统，利用主控电路、行驱动单元、列驱动单元、电源电路实现对电润湿显示屏的驱动，其中，行驱动单元、列驱动单元分别包括双稳态驱动电路、电荷泵升压控制电路和电荷泵电路，克服现有电润湿显示系统中，驱动电压低导致无法实现多灰阶显示的技术问题；电荷泵升压控制电路和电荷泵电路提高了对电润湿显示屏的驱动电压，提高了开口率，实现多灰阶显示。本发明还提供一种电润湿驱动系统的控制方法，通过调节脉冲驱动波形中每个阶段的脉冲的重复个数以实现电润湿显示屏的多阶灰阶显示，重复个数的范围为0‑40个；克服现有驱动方法中无法实现多灰阶显示的缺陷，提高电润湿显示屏的开口率，实现多阶灰阶显示。
Description
技术领域
本发明涉及电润湿领域，尤其是一种电润湿驱动系统及其控制方法。
背景技术
电润湿：电润湿(EFD)显示技术属于一种反射式显示技术。该器件在无电场施加的情形下，器件里面的带染色的非极性液体铺满整个像素单元；像素单元显示极性液体的颜色。在施加适当的电场情形下，器件里面的非液体收缩从而打开像素单元，形成显示状态；像素单元显示衬底的白色。
在电润湿显示技术中，将油墨作为电润湿系统的第二流体(非极性液体)，填充的水作为电润湿系统的第一流体(极性液体)，第一流体和第二流体之间互为不相溶。水溶液在驱动电压的作用下，产生电润湿现象，推动处于下基板的油墨液滴产生形变，在平铺或者收缩的状态间转换，从而实现像素的灰阶显示，如图1中的(A)和(B)所示，分别是未施加电压油墨平铺和施加电压后油墨收缩的现象示意图。电润湿显示技术以其优良的显示特性得到人们的关注，通过施加电压驱动彩色油墨运动实现显示。驱动电压不仅影响了驱动电路设计的繁杂程度和制作成本，而且对电润湿显示屏的工艺提出更高的要求。一个有效的显示驱动系统应能够有效地驱动每个像素，进而实现高分辨率的图像显示。
目前，电润湿电子纸显示系统大多是采用的是插件式元器件。插件式元器件会占据硬件系统较大的体积。并且，较多的外围电路则容易增加硬件电路系统的出错的几率。在实际使用中增加了硬件系统维护的难度。如图2所示，现有的驱动系统由具有时间控制的主控IC(即时间控制器)、外接源信号驱动IC(即源极驱动)和电润湿电子纸显示面板组成。通过预先在主控IC上写入驱动波形来产生输出信号源，输出信号源再通过源信号驱动IC后放大变成可驱动信号，最后驱动电润湿电子纸屏显示。在实验室的条件下，该系统可以满足各项实验的要求，为相对大型的点阵式电润湿电子纸显示屏提供了现实参考依据。但面对较为小型化的电润湿电子纸显示屏时，则显得过于臃肿。采用了脉冲灰阶调制方法结合振幅灰阶调制方法实现了电润湿电子纸8级灰阶驱动系统，但其硬件开关是二元选择器，只能输出2种振幅，这并不能完全解决电润湿多灰阶显示问题。
另外，也有利用成熟的电泳电子纸技术来实现电润湿电子纸灰阶显示，但也存在着不足，即驱动IC最高只能提供30V电压值，30V电压值应用到电润湿电子纸系统时并不能使电润湿油墨达到最大开口率，即不能达到最大灰阶，其仅仅实现了4级灰阶。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种电润湿驱动系统及其控制方法，用于提高电润湿显示屏的驱动电压，实现多阶灰阶显示。
本发明所采用的技术方案是：一种电润湿驱动系统，包括主控电路、行驱动单元、列驱动单元、电源电路和电润湿显示屏，所述行驱动单元、列驱动单元分别包括双稳态驱动电路、电荷泵升压控制电路和电荷泵电路，所述电荷泵电路与电荷泵升压控制电路连接，所述电荷泵升压控制电路与双稳态驱动电路连接，所述电源电路的输出端分别与主控电路的输入端、双稳态驱动电路的输入端连接，所述主控电路的输出端分别与行驱动单元的双稳态驱动电路的输入端、列驱动单元的双稳态驱动电路的输入端连接，所述行驱动单元的双稳态驱动电路的输出端、列驱动单元的双稳态驱动电路的输出端均与电润湿显示屏的输入端连接。
进一步地，所述双稳态驱动电路和电荷泵升压控制电路为SSD1629芯片及其外围电路。
进一步地，所述主控电路为单片机及其外围电路。
进一步地，所述电源电路包括USB接口和电压转换电路，所述USB接口与电源连接，所述USB接口的输出端分别与电压转换电路的输入端、主控电路的输入端连接，所述电压转换电路的输出端分别与主控电路的输入端、行驱动单元的双稳态驱动电路的输入端、列驱动单元的双稳态驱动电路的输入端连接。
进一步地，所述电压转换电路包括ME6208A线性稳压器。
本发明所采用的另一技术方案是：一种电润湿驱动系统的控制方法，应用于所述的电润湿驱动系统，包括以下步骤：
主控电路控制行驱动单元的双稳态驱动电路、列驱动单元的双稳态驱动电路输出脉冲驱动波形至电润湿显示屏；
调节脉冲驱动波形中每个阶段的脉冲的重复个数以实现所述电润湿显示屏的多阶灰阶显示，所述重复个数的范围为0-40个；
所述脉冲驱动波形依次包括四个阶段：
阶段一、所述脉冲的振幅为第一驱动电压；
阶段二、所述脉冲的振幅为第二驱动电压，所述第二驱动电压为第一驱动电压的一半；
阶段三、所述脉冲的振幅为第一驱动电压；
阶段四、所述脉冲的振幅为第二驱动电压；
所述四个阶段的脉冲的重复个数相同，且脉冲宽度相同；所述第一驱动电压的范围为10-40V。
进一步地，所述多阶灰阶显示为八级灰阶显示时，所述重复个数为40个，所述脉冲宽度为0.0625ms，所述第一驱动电压为28V。
本发明的有益效果是：
本发明中一种电润湿驱动系统，利用主控电路、行驱动单元、列驱动单元、电源电路实现对电润湿显示屏的驱动，其中，行驱动单元、列驱动单元分别包括双稳态驱动电路、电荷泵升压控制电路和电荷泵电路，克服现有电润湿显示系统中，驱动电压低导致无法实现多灰阶显示的技术问题；电荷泵升压控制电路和电荷泵电路提高了对电润湿显示屏的驱动电压，提高了开口率，实现多灰阶显示。
本发明中一种电润湿驱动系统的控制方法，通过调节脉冲驱动波形中每个阶段的脉冲的重复个数以实现电润湿显示屏的多阶灰阶显示，重复个数的范围为0-40个；克服现有驱动方法中无法实现多灰阶显示的缺陷，提高电润湿显示屏的开口率，实现多阶灰阶显示。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1是电润湿现象示意图；
图2是现有电润湿驱动控制系统的示意图；
图3是本发明中一种电润湿驱动系统的一具体实施例结构示意图；
图4是本发明中一种电润湿驱动系统的电源电路的一具体实施例电路图；
图5是本发明中一种电润湿驱动系统的主控电路的一具体实施例电路图；
图6是本发明中一种电润湿驱动系统的行驱动单元和列驱动单元的一具体实施例电路图；
图7是本发明中一种电润湿驱动系统的控制方法的脉冲驱动波形的一具体实施例示意图；
图8是本发明中一种电润湿驱动系统的H字符的一具体实施例示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参考图3，图3是本发明中一种电润湿驱动系统的一具体实施例结构示意图；一种电润湿驱动系统，包括主控电路、行驱动单元、列驱动单元、电源电路和电润湿显示屏，行驱动单元、列驱动单元分别包括双稳态驱动电路、电荷泵升压控制电路和电荷泵电路，电荷泵电路与电荷泵升压控制电路连接，电荷泵升压控制电路与双稳态驱动电路连接，电源电路的输出端分别与主控电路的输入端、双稳态驱动电路的输入端连接，行驱动单元的双稳态驱动电路的输出端、列驱动单元的双稳态驱动电路的输出端均与电润湿显示屏的输入端连接。其中，双稳态驱动电路和电荷泵升压控制电路为SSD1629芯片及其外围电路。参考图4，图4是本发明中一种电润湿驱动系统的电源电路的一具体实施例电路图；电源电路包括USB接口J1和电压转换电路，USB接口J1与电源连接，USB接口J1的输出端分别与电压转换电路的输入端、主控电路的输入端连接以为其供电，电压转换电路的输出端分别与主控电路的输入端、行驱动单元的双稳态驱动电路的输入端、列驱动单元的双稳态驱动电路的输入端连接以为其提供工作电压。电压转换电路包括ME6208A33M3G线性稳压器U3。在线性稳压器U3的输入前端增加了电解式电容(电容C1、C2和C3)，其目的主要是为了实现交流滤波，将电源供应器携带的交流成分滤除。设置3个电解式电容的电容值不同，则是为了尽可能多的消除电源供应器(即电源)可能携带不同频率的交流部分。在线性稳压器U3的输出端增加两个电容(电容C4和C5)，则是为了恒压和滤波。本发明的电润湿驱动系统只需设计一套电源适配方案就可为多个电路部分提供电源，在一定程度上减少了硬件系统的体积以及降低了成本。
本发明中一种电润湿驱动系统，利用主控电路、行驱动单元、列驱动单元、电源电路实现对电润湿显示屏的驱动，其中，行驱动单元、列驱动单元分别包括双稳态驱动电路、电荷泵升压控制电路和电荷泵电路，克服现有电润湿显示系统中，驱动电压低导致无法实现多灰阶显示的技术问题；电荷泵升压控制电路和电荷泵电路提高了对电润湿显示屏的驱动电压，提高了开口率，实现多灰阶显示。
具体地，主控电路为单片机及其外围电路。控制模块在一个硬件系统里相当于人类的大脑神经中枢，身体的任何动作行为几乎都离不开大脑神经中枢的控制。本发明采用了意法半导体公司推出的STM32单片机作为本发明的主控IC。STM32系列单片机都具有高性能、低功耗、低成本的优势，是属于嵌入式内核处理器。其主要特点有工作频率高、大储存空间以及多个输出通道等。如图5所示，图5是本发明中一种电润湿驱动系统的主控电路的一具体实施例电路图；单片机采用STM32F103CBT6型号的单片机U2来实现，单片机U2的外围电路中包括时钟振荡器，时钟振荡器利用了晶体的压电效应，通过在晶体晶面上施加交流电压，晶面会产生反复的机械振动，而晶体的机械振动反过来产生交变电压。在单片机振荡电路中可分为内部振动电路和外部振荡电路。在内部振荡电路中，单片机两个XTAL端口之间必须接上晶体振荡器和两个微调电容来构成内部振荡电路；在外部振荡电路中，只需要选择单片机一个XTAL端口作为时钟输入端口即可。如图5所示，本系统采用的是石英晶体振荡器Y1和并联电容(电容C6和C7)构成的内部振荡电路，PC14-0SC32_IN和PC15-0SC32_OUT是单片机U2内部振荡器的输入、输出端，电容C6和C7电容值都是12pF，石英晶体振荡器Y1的工作频率为8Mhz。
进一步地，参考图6，图6是本发明中一种电润湿驱动系统的行驱动单元和列驱动单元的一具体实施例电路图；行驱动单元和列驱动单元的双稳态驱动电路、电荷泵升压控制电路采用了晶门科技半导体公司的SSD1629驱动芯片及其外围电路来实现，分别是U1和U2；SSD1629是一款可用于双稳态显示的显示驱动芯片。其内部高度整合了用于图像数据输入、RAM缓存图像数据以及高压驱动输出的MCU(微控制器单元)控制指令。同时，为了减少硬件系统的成本和空间，SSD1629芯片还内置了直流升压电路用于后端的高压驱动输出接口。SSD1629芯片与电荷泵电路连接，如图6中所示，以U1为例，电荷泵电路包括电容C11-C19，U1采用改变时间常数来实现电荷泵电路的输出调节，电容C13和C14不断地交换电荷，从而实现SSD1629芯片的升压。U2和电荷泵电路的连接与U1相同，且工作原理相同。
事实上，利用SSD1629驱动芯片可以提供第一驱动电压V0、第二驱动电压V1、接地电压VSS、高阻状态电压HI-Z四个等级的电压状态(V0输出区间为10-40V，V1为V0的一半)，因此在振幅幅值上可以有较多搭配选择。在频率调节方面，SSD1629可以实现最小周期为0.0625ms波形输出。SSD1629驱动芯片的所有端口都可以输出高阻状态；SSD1629驱动芯片还能作为电源供给控制中心，电荷泵放大倍数可在4-18区间选择6个倍数进行调节；这6种倍数分别是4、6、8、12、16和18；其可以输出可变的驱动波形；并具有31个输出端口和一个背景通道；且支持标准的SPI通信协议。SSD1629芯片在不需额外电路的情况下就可以提供32路驱动信号，而且在STM32芯片控制下同样可以实现组合型驱动信号，这其中包括了脉冲-振幅组合型波形，可以实现多灰阶显示。另外，值得注意的是，其他芯片具有双稳态调节、输出波形可调节、内置电荷泵调节电路及高压驱动输出接口等功能，也可替换SSD1629芯片，实现电润湿多灰阶调节；采用电路结构实现替代的也一样在本发明的保护范围之内。
本发明的系统，利用两个SSD1629芯片分别控制着电润湿电子纸显示屏(16×16)的行和列的波形输出；作为MCU的STM32则控制SSD1629芯片的配置参数输出，配置参数主要为驱动周期、驱动电压、脉冲的重复个数等。利用驱动芯片SSD1629设计电路可达到40V电压，可以解决电润湿驱动供压不足的缺点。在40V电压驱动下，电润湿电子纸油墨可以达到70％以上开口率，这已经接近电润湿电子纸油墨所能达到的极限值，为后续需要较高电润湿驱动电压提供了基础。
一种电润湿驱动系统的控制方法，应用于所述的电润湿驱动系统，包括以下步骤：
主控电路控制行驱动单元的双稳态驱动电路、列驱动单元的双稳态驱动电路输出脉冲驱动波形至电润湿显示屏；
调节脉冲驱动波形中每个阶段的脉冲的重复个数n以实现电润湿显示屏的多阶灰阶显示，重复个数n的范围为0-40个；
脉冲驱动波形依次包括四个阶段：
阶段一、脉冲的振幅为第一驱动电压V0；
阶段二、脉冲的振幅为第二驱动电压V1，第二驱动电压V1为第一驱动电压V0的一半；
阶段三、脉冲的振幅为第一驱动电压V0；
阶段四、脉冲的振幅为第二驱动电压V1；
四个阶段的脉冲的重复个数n相同，且脉冲宽度相同；第一驱动电压V0的范围为10-40V。
本发明中一种电润湿驱动系统的控制方法，通过调节脉冲驱动波形中每个阶段的脉冲的重复个数以实现电润湿显示屏的多阶灰阶显示，重复个数的范围为0-40个；克服现有驱动方法中无法实现多灰阶显示的缺陷，提高电润湿显示屏的开口率，实现多阶灰阶显示。其中，重复个数n在0-10(一级)、10-11(二级)、11-12(三级)、12-14(三级、四级)、14-26(四级、五级)、26-33(五级、六级)、33-38(六级、七级)、38-40(七级、八级)分别对应n值调节范围对应的1-8灰阶；其对应的电润湿像素开口率区间分别0-0.01、0.01-0.05、0.05-0.12、0.12-0.22、0.22-0.36、0.36-0.53、0.53-0.75。本发明中，多阶灰阶显示为八级灰阶显示时，重复个数为40个，脉冲宽度为0.0625ms，第一驱动电压为28V；四级灰阶和八级灰阶调节不同之处在于n值不同。
在SSD1629芯片的内部指令中，可以利用其提供的波形控制每个阶段的脉冲的重复个数n和最小周期时间(即控制脉冲宽度)来满足振幅-脉冲驱动波形，使用振幅-脉冲驱动波形几乎可以实现油墨所有开口率，实现多灰阶的调节显示。灰阶划分是在物体发射或反射的光强中，最强光强与最暗之间分为若干份，每一份则被称为一个灰阶。灰阶指的是物体所呈现出的灰度变化，反应的是灰度视觉效果。划分灰阶时通常需要以人的视觉感官刺激为切入点，但人对自然界的视觉刺激感知并不是线性的，而是呈现非线性的。参考图7，图7是本发明中一种电润湿驱动系统的控制方法的脉冲驱动波形的一具体实施例示意图；本发明中控制参数n(即n0、n1、n2和n3)可实现灰阶不同的变化。每个灰阶中的驱动波形一样，接地电压VSS的导通时间T1A、高电平(如第一驱动电压V0和第二驱动电压V1)的导通时间T1B、第一驱动电压V0、第二驱动电压V1不变。其中，COM端是“公共端”，提供稳定的供电；SEG端是“段”segment，也就是“扫描端”，通过COM端与SEG端的组合，点亮不同的电润湿显示屏的显示段，从而形成文字或图形。
具体地，参考图7，一个完整的脉冲驱动波形周期由四个阶段(SSD1629芯片可提供5个阶段来设计周期，本发明仅使用了前四个阶段)构成。在每一个阶段可以单独设定周期和电压。如在阶段一，每一个小周期由T1A和T1B组成，SSD1629芯片能为T1A或T1B提供的最短时间为0.0625ms，提供最长的时间为320ms；在幅值上有V0、V1、VSS、HI-Z四种状态(V0输出区间为10-40V，V1为V0的一半，VSS为接地电压，HI-Z为高阻状态)可供选择，选择输出波形时，一般设定为V0、VSS或者V1、VSS或者V0、V1组合。在阶段一需要设定重复次数，这个n值个数根据实际需要驱动得到的灰阶来确定。同理，阶段二、阶段三、阶段四可以按相同方式设定。因此，以这种方法在理论上可以实现几乎所有的灰阶值。在实际运用到目前的电润湿电子纸显示屏上时，受限于屏的非一致性(不同像素单元开启电压不一致)和驱动方式的制约，在V0设定值大于32V时，显示屏显示字符的像数周围也会出现不同程度的亮起状态。因此，V0在实际设定时一般不超过28V。在该幅值驱动下，油墨开口率可以达到50％。在V0设定值为16V时，油墨开口率可以达到25％左右。本实施例中，通过将波形每个阶段重复周期个数n设定为40，根据韦伯定律结合迟滞特性曲线来划分灰阶，使得电润湿电子纸显示屏依次输出从黑到白的八级灰阶。
另外，实现灰阶驱动显示之后，当电润湿显示屏需要显示字符等信息时，由于本发明中，每一个SSD1629芯片分别控制着行扫描和列扫描，因此可以采用字符分解方法来实现电润湿电子纸显示屏稳定显示，字符分解就是将要显示的字符拆解成横向、纵向显示，最后形成完整的字符显示；即第一次进行横向扫描，第二次进行列向扫描，依次在选中的像素点上施加预定的波形，在没选中的像素点上施加低电压V1，使其不点亮，使用2次扫描即可完成扫描，继而得到对应的灰阶图像.。而传统方法按照逐行逐列的刷新扫描方法，扫描次数多、放射率低。为了在16×16像素格的电润湿显示屏上显示字符“H”，使用逐行逐列扫描的方法，需要16次扫描，此时亮度是没有使用扫描方法的反射率的1/16；而采用字符分解方法，需要预先在字符库里将这些字符先定义设计好(参考图8，图8是本发明中一种电润湿驱动系统的H字符的一具体实施例示意图，本发明选用的“H”字符，长度为6个单位坐标值，宽度为11个单位坐标值，其中，图8中的○表示行扫描时需要点亮的像素单元，×表示列扫描时需要点亮的像素单元)，然后分别通过横向、纵向2次扫描，此时亮度是没有使用扫描方法的反射率的1/2，因而这种字符分解型刷新扫描方式在大大降低扫描次数后可以将字符稳定显示在电润湿电子纸显示屏上。参考图8，在行扫描中0x0000表示16位二进制数，前两位表示表格里的16-9，后两位数字表示表格里的8-1。0x0002表示需要扫描的次数。0x0020表示行SSD1629芯片选中第6行。0x003f表示列选中1-6列。0x07ff和0x0021是第二次扫描要输入的参数。0x07ff表示1-11行被选中；0x0021表示第1列和第6列被选中。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (7)
1.一种电润湿驱动系统，其特征在于，包括主控电路、行驱动单元、列驱动单元、电源电路和电润湿显示屏，所述行驱动单元、列驱动单元分别包括双稳态驱动电路、电荷泵升压控制电路和电荷泵电路，所述电荷泵电路与电荷泵升压控制电路连接，所述电荷泵升压控制电路与双稳态驱动电路连接，所述电源电路的输出端分别与主控电路的输入端、双稳态驱动电路的输入端连接，所述主控电路的输出端分别与行驱动单元的双稳态驱动电路的输入端、列驱动单元的双稳态驱动电路的输入端连接，所述行驱动单元的双稳态驱动电路的输出端、列驱动单元的双稳态驱动电路的输出端均与电润湿显示屏的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的电润湿驱动系统，其特征在于，所述双稳态驱动电路和电荷泵升压控制电路为SSD1629芯片及其外围电路。
3.根据权利要求1所述的电润湿驱动系统，其特征在于，所述主控电路为单片机及其外围电路。
4.根据权利要求1至3任一项所述的电润湿驱动系统，其特征在于，所述电源电路包括USB接口和电压转换电路，所述USB接口与电源连接，所述USB接口的输出端分别与电压转换电路的输入端、主控电路的输入端连接，所述电压转换电路的输出端分别与主控电路的输入端、行驱动单元的双稳态驱动电路的输入端、列驱动单元的双稳态驱动电路的输入端连接。
5.根据权利要求4所述的电润湿驱动系统，其特征在于，所述电压转换电路包括ME6208A线性稳压器。
6.一种电润湿驱动系统的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1至5任一项所述的电润湿驱动系统，包括以下步骤：
主控电路控制行驱动单元的双稳态驱动电路、列驱动单元的双稳态驱动电路输出脉冲驱动波形至电润湿显示屏；
调节脉冲驱动波形中每个阶段的脉冲的重复个数以实现所述电润湿显示屏的多阶灰阶显示，所述重复个数的范围为0-40个；
所述脉冲驱动波形依次包括四个阶段：
阶段一、所述脉冲的振幅为第一驱动电压；
阶段二、所述脉冲的振幅为第二驱动电压，所述第二驱动电压为第一驱动电压的一半；
阶段三、所述脉冲的振幅为第一驱动电压；
阶段四、所述脉冲的振幅为第二驱动电压；
所述四个阶段的脉冲的重复个数相同，且脉冲宽度相同；所述第一驱动电压的范围为10-40V。
7.根据权利要求6所述的电润湿驱动系统的控制方法，其特征在于，所述多阶灰阶显示为八级灰阶显示时，所述重复个数为40个，所述脉冲宽度为0.0625ms，所述第一驱动电压为28V。
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